Redes de Comunicações 1. Comunicação de Dados, Camada Física

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N O T A S D E A U L A , R E V 7 . 0 – U E R J 2 0 2 0 – F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S

Redes de Comunicações 1

Comunicação de Dados, Camada

Física

 Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

E-mail: falencarrb@gmail.com

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UERJ 2020 Redes de Comunicações 1 Pg.1

Este capítulo vai descrever conceitos, técnicas e elementos da camada física principalmente. De pronto, é bom fixar que o meio físico pode ser com fio (meios guiados) ou sem fio (meios não guiados). Um e outro muito comumente transitam sinal analógico (senóides), que pode parecer contraditório com a natureza digital dos dados. Não é, como veremos. Vejamos as combinações dados-sinais. Enquanto o meio não guiado é o ar, os meios guiados são vários: par trançado, cabo coaxial, fibra ótica, etc.

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Estes são os principais meios de transmissão guiados. Os meios sem fio também serão objeto de nossa atenção.

No final deste capítulo vamos listar dados técnicos de alguns destes meios. Por ora vamos definir conceitos básicos de comunicação de dados.

Para transmissão de dados em comunicações interessa fundamentalmente os conceitos de:

Espectro = (de um sinal) é a faixa de frequência que o sinal contém.

Banda = tamanho da largura do espectro (Hz). Quando se refere ao meio, dá a medida

de sua capacidade.

Data Rate = informação digital (bps) limitada por banda, ruído, error rate. No que se

refere ao emissor, dá a medida da sua capacidade de transmissão (também bit rate). Para transmissão em redes de computadores (e outros) devemos diferenciar dados, sinais, sinalização e transmissão:

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Transmissão = comunicação do dado através da propagação e do processamento do

sinal.

Um dado pode ser originalmente computacional (digital, banda qualquer, exemplo: texto ASCII), voz (banda de 4 kHz, analógico), vídeo (banda de 6 MHz, analógico). A combinação dado – sinal que será útil para nós poderá ser: 1) dado analógico, sinal analógico (exemplo: amplificador de voz; este não nos interessa neste curso); 2) dado digital, sinal analógico (modems); 3) dado analógico, sinal digital (codecs); 4) dado digital, sinal digital (transmissão digital).

Em redes de computadores os dados são produzidos na forma binária e em paralelo dentro de uma estação. Para transmissão destes dados entre diversos computadores da rede, a transmissão é serial e, frequentemente, utilizam-se esquemas

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de transmissão analógica, seja por razões técnicas, seja por razões econômicas. Uma situação típica é o computador de uma rede produzir dado digital e na hora de transmitir este dado transforma-o em sinal analógico por exigência do meio. Na recepção, de maneira inversa, o sinal analógico que chega é convertido para dado digital antes de ser consumido pela máquina destino.

Esta seção analisa as diversas modalidades de combinação entre dados e sinais, desde que um deles, pelo menos, seja digital. Chamaremos estas combinações de D-D (dado digital, sinal digital), D-A (dado digital, sinal analógico), A-D (dado analógico, sinal digital). Os dois primeiros são de interesse de redes de dados, o último é de interesse de redes de telefonia digital.

A codificação D-D é mais barata que a modulação D-A, mas com NRZ

(Non-Return-toZero) temos alguns problemas: 1) a perda de sincronização; 2) a presença de

DC e, 3) não se diferencia 0 de terra. Em termos práticos cada vez se usa menos NRZ

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este padrão, pois ele requer alta taxa de sinalização para o data rate, ou seja, o receptor tem a metade do tempo para detectar cada pulso do sinal, de modo que a taxa de bits é a metade da taxa de bauds1 e a eficiência da codificação é de 50%. Para superar isto, usa-se a técnica bit stuffing como em B8ZS (Bipolar with 8 Zeroes Substitution), HDB3 (High – Density Bipolar 3 – zeroes) ou 4B/5B. Nestas, insere-se bits extras no fluxo de bits de modo a interromper seqüências longas de ´0´s ou ´1´s. Por exemplo, a codificação 4B/5B é 80% eficiente.

A característica de um meio é via-de-regra passa-baixa. Porém, com a colocação dos elementos elétricos, sua característica passa a ser passa-faixa. Portanto, meios com características passa-faixa não se casam bem com ON-OFF (muita potência gasta no início e no final do espectro causam distorção na recepção!), mas sim com Manchester,

1

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como ilustra o slide 3-7. Outro problema do NRZ-L é a perda de sincronismo. Onde começa e onde termina um bit, que é transmitido serial? Uma sucessão de (n) bits iguais pode não ser distinguível de uma sucessão de (n + 1) bits iguais, caso o clock no receptor não seja muito preciso. Observe que dois clocks de dois computadores nunca são exatamente idênticos, pois dependem da geometria do cristal interno, e esta nunca é exatamente a mesma em dois computadores quaisquer!

Uma solução cara para o problema da recuperação do clock é enviá-lo em separado para o receptor, outra, mais viável, é embutir o clock no próprio sinal de dados, como em NRZ-I (Non-Return-to-Zero Level), e como também faz a codificação Manchester.Outra característica do meio que distorce o sinal nele presente é a

interferência intersímbolos (ISI ou IES em português), que acontece pelo descaimento

exponencial de um sinal que originalmente é com transição abrupta (quanto mais alto o

data rate, pior o ISI). Outras fontes de distorção são o jitter de fase e o ruído. Mais à

frente voltamos a este tema.

A freqüência que um sinal pode se propagar no meio é chamada baud (número de variações do sinal por segundo, também chamado de símbolo por segundo, pois durante cada baud um símbolo é transmitido), e a relação entre bauds e bps dependerá da forma de codificação do sinal. Se usar ON-OFF, um canal com capacidade de N

bauds poderá transportar N bps. Por outro lado se usar a codificação bifásica

Manchester (seja na forma comum, seja na forma diferencial) poderá transportar N/2 bps (o que é ruim!), mas tem sido solução muito adotada também pela facilidade de

implementação. Se ainda usarmos ON-OFF, mas agora com 4 níveis de tensão para representar 00, 01, 10 e 11, poderemos obter 2N bps (porém, lembrar que utilizar vários níveis do sinal vai degradar a transmissão por causa da alta taxa de falhas na decodificação do sinal, sendo, pois, pouco utilizada). Esta idéia de concentrar mais informações por sinal será mais bem aproveitada nos casos de modulação com o conceito de símbolo, que veremos a seguir.

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A forma que mais nos interessa em Redes é a combinação dado digital e sinal analógico. Muito esquematicamente, só para ilustrar, o slide 3-9 mostra todos os componentes básicos de uma transmissão sem fio.

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Os métodos de produzir a combinação principal D-A são mostrados a seguir, a partir dos quatro métodos básicos.

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ASK: Características:

- Suscetível à súbita mudança de ganho; - Em linhas telefônicas é usada até 1200 bps; - Exemplo: transmissão digital sobre fibra ótica - Considerada técnica de modulação ineficiente

BFSK: Características:

- Menos suscetível a erro que ASK;

- Usado em linhas telefônicas até 1200 bps;

- Exemplo: rádio transmissão (faixa 3 – 30 MHz) e LAN coaxial

PSK têm alcançado maior preferência pelas razões que veremos.

Devemos distinguir entre taxa de modulação e taxa de sinal2. Em termos práticos são usadas variantes ou combinações daquelas técnicas básicas de modulação digital. A idéia primordial é concentrar o máximo de informação digital por cada símbolo transmitido. Veremos algumas variações a seguir.

2

A taxa de modulação é o número de possíveis variações da onda portadora por segundo, ou seja, o número de vezes que se imprime a informação digital na onda portadora por segundo. É medido isto por b

baauuddss.

A taxa de sinal indica o número de bits efetivamente transmitidos pelo canal por segundo. É medido isto por bbppss. Já o símbolo indica o número de bits representados para cada amostra do sinal.

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MFSK apresenta:

- Cada elemento de sinal codifica N bits, ou seja, existem 2N = M níveis possíveis;

- Maior eficiência de banda, porém é mais suscetível a erro; - Banda requerida: 2M.f_C

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Um problema que surge com o esquema de modulação em frequências é a possibilidade de súbita mudança de fase quando se passa de um bit para outro.

MSK (Minimum Shift Keying) tenta resolver este problema usando o esquema de

escolha de frequência normal ou invertida. Primeiramente são separados os bits impares de pares, cada um deles tendo a duração duplicada (slide 3-12). A seguir, é aplicado o esquema para o par de bits impar-par:

- Se ambos os bits são zero, usa-se a freqüência f₂ invertida

- Se o bit impar é zero e o bit par é um, usa-se f₁ invertida

- Se o bit impar é um e o bit par é zero, usa-se f₁ original - Se ambos são um, usa-se f₂ original

Se acrescentarmos a este esquema os chamados filtros gaussianos passa-baixa, obtemos a modulação GMSK (MSK Gaussiano), que era a modulação usada em GSM,

DECT e HIPERLAN (Europa), todas ultrapassadas.

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Vamos agora discutir de forma mais precisa banda, baud, símbolo e data rate (bit rate).

Sabemos que a banda de um meio é o conjunto de frequências (medida em Hz) que por ele passa sem atenuação, e é uma propriedade física do meio (por exemplo, fibra ótica apresenta maior banda que cabo coaxial, e este apresenta mais banda que par trançado). O baud rate é o número de amostras feitas por segundo. Cada amostra envia um pedaço da informação, que é o símbolo. Portanto, baud rate e taxa de símbolo são a mesma coisa! As técnicas de modulação (como BPSK, QPSK, ...) determinam o número de bits por símbolo. O bit rate é a quantidade de informação enviada por sobre um canal e é igual ao número de (símbolos/seg) vezes o número de (bits/símbolo):

Bit rate = (símbolos/seg)x(bits/símbolo) ... medido em bps. O objetivo dos modems

mais modernos é enviar o maior número de bits por baud (ou símbolo).

As técnicas delineadas no slide 3-13 apresentam como diferencial a mudança de fase relativa ao símbolo anterior. O seu efeito mais notável é a sincronização.

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DF = f2 – fc = fc –f1;

N = bits/elemento;

M = número de elementos de sinal; BT = banda disponível. Então: ASK, PSK: B_T (1r)R FSK: B_T 2DF(1r)R MPSK: B_T r_N _R        2 log 1 MFSK: BT r_MM R        2 log ] 1 [

Vejamos a seguir detalhes de técnicas de quadratura. Elas objetivam codificar n bits em um único símbolo. A ideia mais geral é combinar diferentes amplitudes com diferentes fases. Esta combinação vai estabelecer o diagrama de constelação compostas de símbolos. Grosso modo, quanto mais símbolos contiver a constelação, mais bits por segundo são transmitidos. Na sua forma mais simplória, na quadratura apenas variamos a fase, como se vê no slide 3-14.

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(ou reduzir) erros, e o padrão resultante é o V.32. De forma análoga, para modems de

14400 bps, é usado o padrão V.32bis com QAM-128. Algumas destas constelações

mais simples estão ilustradas no slide 3-16.

QAM-256 é usado apenas em redes a cabo. O padrão de modem V.43 alcança 28800 bps rodando sobre 2400 bauds (12 bits por símbolo). V.34bis alcança 33600 bps

rodando sobre 2400 bauds (14 bits por símbolo). O limite de Shannon para linhas telefônicas é de aproximadamente 35 Kbps, como veremos. O limite teórico de 56

Kbps tem a ver com o teorema de Nyquist, que também veremos. O padrão

correspondente a esta velocidade é o V.90, fornecendo 33,6 Kbps do usuário até a concessionária e 56 Kbps da concessionária para o usuário. O último padrão, V.92, é usado por modems capazes de 48 Kbps (upstream).

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Os diagramas ilustrados desde o slide 3-13 até -16 configuram o já mencionado

diagrama de constelação. Cada modem apresenta seu próprio padrão de diagrama de

constelação, dois modems só se comunicam se ambos empregarem a mesma constelação. Com o aumento da densidade de símbolos nas constelações mais

complexas surge um problema: a interferência inter-símbolos (ISI), que, em última análise significa interferir um símbolo em outro no momento da sintonização de recepção. A razão do problema está ilustrada no slide 3-17.

Uma primeira providência para mitigar ISI é não usar todos os símbolos da constelação, mas ganhou força novas técnicas como o FDM Ortogonal.

Usando-se múltiplas sub-portadoras a cada intervalo de frequência constante e determinado (ortogonalidade), então a forma do espectro de potência do sinal OFDM é próxima da onda quadrada, vale dizer, vai apresentar alta eficiência de uso de frequências.

A ideia por trás de OFDM é dividir o alto bit rate (susceptível a ISI!) em vários

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- FM digital

Outra família de dados digitais e sinal analógico, o Spread Spectrum, particularmente importante para redes sem fio, será vista em outro contexto: o de múltiplos acessos ao meio, próximo capítulo.

É hoje praticamente só utilizado o sistema telefônico digital, para que se tire proveito das técnicas digitais até mesmo para tratamento de sinais analógicos, como é a voz. Isto é feito mesmo que, a seguir, se utilize técnicas de modulação (que são analógicas para representar sinais digitais) para a efetiva transmissão, seja porque em freqüências altas se necessite uma transmissão efetiva, seja porque com modulação se permite multiplexar vários usuários em um mesmo meio.

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Assim que um dado analógico seja convertido para digital, das 3 uma: (1) ele é transmitido usando NRZ; (2) ele é codificado como sinal digital e transmitido com outra técnica que não NRZ; (3) ele é convertido para sinal analógico usando uma das técnicas de modulação anteriormente descrita.

PCM se destina à telefonia digital, na verdade, digitalização do dado analógico.

Os sinais analógicos são digitalizados no núcleo da concessionária (chamam troncos) por um equipamento chamado codec (codificador-decodificador). Na produção do sinal

PCM envolve os passos ilustrados no slide 3-19 (geração de amostras PAM – Pulse

Amplitude Modulation, quantificação das amostras e codificação digital). O número de

bits transmitidos vai depender do número de bits atribuídos a uma amostra. Evidentemente quanto mais bits por amostra forem atribuídos, mais precisa (e mais cara!) será a transmissão. O resultado do processo PCM é ilustrado no slide 3-19.

Considere a voz (banda de 4 KHz). Então, pelo Teorema da Amostragem, deverá ser produzidas 8000 amostras/seg. Se utilizarmos 8 bits (7 bits de dados, 1 bit de controle) por amostra: 8000x8 = 64 Kbps. Em outras palavras, o codec produz 8000 amostras de voz por segundo (125 mseg/amostra).

Um refinamento do PCM envolve técnicas de codificação não linear e compressão/expansão.

A utilização final dos códigos PCM lança mão das técnicas de multiplexação, como veremos brevemente.

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Um melhoramento do PCM é o differential PCM, onde se reduz o número de bits de codificação de 7 para 5, através da colocação na saída da diferença de valor entre o valor corrente e o anterior. Como as mudanças no sinal não são abruptas, saltos de 16 códigos ou mais para frente ou para trás na escala de 128 possibilidades são bastante improváveis, o que significa a boa precisão deste método.

Um refinamento maior ainda é predizer o próximo valor e então codificar a diferença entre o valor atual e o predito, diminuindo mais ainda o número de bits a serem enviados.

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Em Modulação Delta (DM) o bit stream é gerado por comparação com a função escada, por aproximação da derivada, não da amplitude. Comparado com PCM, DM reduz a complexidade, mas apresenta problemas de sinal/ruído para altas freqüências. As técnicas PCM ou DM são preferíveis, pois:

a) Repetidores não acrescentam ruído ao sinal;

b) TDM, que veremos a seguir, não apresenta ruído de intermodulação;

c) Em vídeo, técnicas de codificação interframes, como as que já mencionamos, reduzem a banda de 15 Mbps para até 64 Kbps.

Cobertas as técnicas principais da combinação dados-sinal importantes para redes de computadores, já que estamos tratando da camada física, é interessante descrever algumas interfaces e padrões comuns, como nos slides 3-21 e 22.

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A transmissão digital é preferível, pois: tecnologia digital é mais simples e mais barata; é maior a integridade dos dados (repetidor ser efeito cumulativo de ruídos); melhor utilização da capacidade do meio (TDM é também mais barato que FDM); apropriado para segurança e privacidade (encriptação); apropriado para integração voz, vídeo e digital.

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Existem vários empecilhos para transmissão:

1.Atenuação: depende da distância, das condições atmosféricas e varia com a frequência (analógico);

Ganho e atenuação são meios de expressar uma relação entre sinais emitidos e recebidos. A atenuação de um sinal em um meio é medida em decibéis, de forma similar a de um ganho: entrada saída entrada saída P P GANHO P P

ATN 10log ; 10log

Portanto, ambas são medidas relativas. Mais ainda, atenuação, algumas vezes, relaciona

voltagens e não potência:

entrada saída entrada saída V V GANHO V V

ATN 20log ; 20log . A

racionalidade por detrás desta mudança é simples. Como

R V P

2

 , potência e tensão apresentam uma relação quadrática (não linear). Se usarmos uma escala semi-logarítmica, como é caso muito comum em eletrônica, a relação potência-tensão se

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ser recebido para que ele seja efetivamente interpretado.

2.Delay: é crítico para sinais digitais;

3.Ruído: apresenta-se em diversas modalidades: térmico, intermodulação (mistura de freqüências), crosstalk (linha cruzada); impulsivo (pior para transmissão digital). Ruídos podem ser classificados quanto ao modo de propagação, ao tipo e quanto à duração.

Quanto ao modo de propagação, podem ser irradiados ou conduzidos. Quanto ao tipo podem ser modo comum – quando se propagam pelas linhas de fase e neutro; e modo diferencial – quando se propagam apenas pela linha de fase. Quanto à duração podem ser contínuos ou não.

Os formatos genéricos de ruídos em sistemas de comunicações são o branco e o impulsivo. O ruído térmico é uma nomenclatura alternativa ao ruído branco para meios guiados.

R

Ruuííddoo bbrraanncco – é de duração contínua. A densidade espectral de potência é o

independente da freqüência (uniformemente distribuída), e é ruído presente em todo lugar e em todo momento. Seu nome deriva da luz branca, que contém iguais quantidades de todas as freqüências na faixa do visível da radiação eletromagnética. Em sistemas de comunicações ele afeta mais dados do que voz.

R

Ruuííddoottéérrmmiiccoo – é de duração contínua. Surge de movimentos aleatórios de elétrons no condutor, tal movimento é tanto maior quanto for a agitação térmica das cargas, daí o seu nome.

R

Ruuííddooiimmppuullssiivvo – é de duração não contínua. Consiste de pulsos irregulares de grande o

amplitude que se apresenta geralmente em forma de rajadas, e é responsável por grande parte dos erros em sistemas de comunicações na transmissão de dados e voz. A deterioração do sinal provocada por ruídos impulsivos é difícil de compensar, o que se costuma concluir é a probabilidade de compensá-lo.

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Na transmissão e recepção de sinais importa essencialmente o canal. Ele é regido por leis e teoremas básicos que formulamos agora (Atenção: o objetivo aqui é o de uso imediato. Maiores demonstrações do que falaremos é tema de outras cadeiras!).

A capacidade de um canal dá a medida do data rate máximo (DR). Se desconsiderar o ruído (teorema de Nyquist):

C = 2B log₂ L

Se considerar o ruído branco (teorema de Shannon):

C = B log2 (1 + S/N), onde S/N é a relação sinal-ruído expresso normalmente em

decibéis. Este é o limite máximo da capacidade de um canal em presença de ruído. Obs: S/N_dB = 1 dB, então 10 log (S/N) = 1, o que significa que S/N = 10 !!!

O Teorema da Amostragem. Ele nos fornece uma medida do quanto se deve amostrar um sinal de modo a obter na recepção um sinal restaurado com boa qualidade. Em termos práticos, a taxa máxima da transmissão digital é amarrada segundo a taxa de amostragem e o número de bits alocados para cada amostra, como ilustra o slide 3-26.

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8 bits de cada amostra, um deles é reservado para sinalização).

E

Exxeemmpplloo2: Se S/N2 _dB = 24 dB em um canal de espectro entre 3 MHz e 4 MHz, qual a capacidade do canal? Quantos níveis de sinal são requeridos?

Solução: Talvez em aula. Respostas: 8 Mbps; 16.

Tanto o Teorema da Amostragem quanto Diagramas de Constelação, que já vimos, são ferramentas de análise e síntese no tratamento de sinais digitais. Um problema da lista explora a inter-relação entre ambos.

Um problema sensível na transmissão de dados digitais em meio sem fio é o IES (Interferência Entre Símbolos, ou ISI em inglês). Os dados digitais são convertidos para sinais analógicos, amostrados e transmitidos. Na recepção são novamente reconvertidos para digital. Por conta da possibilidade de propagação por múltiplos caminhos (reflexão, espalhamento, difração), diferentes tempos de chegadas do mesmo dado no receptor podem ocasionar superposição de componentes de símbolos diferentes. Acontecendo isto, na prática, se inviabiliza a correta recepção. Para lidar com este problema se deve manter entre duas amostras sucessivas um tempo suficiente para conseguir transmitir todos os símbolos amostrados, como ilustra a figura acima.

O Teorema da Amostragem preconiza que a taxa de amostragem seja duas vezes ou mais a freqüência do sinal transmitido, f_A 2 f₁, sendo f_Aa freqüência de amostragem,

1

f a frequência do sinal. Faremos um exemplo em aula deste cenário.

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Par trançado: é mais barato, porém é mais limitado em data rate e distância e apresenta

maior atenuação (UTP – cabo não blindado, STP – cabo blindado):

UTP3 : 16 MHz; UTP4 : 20 MHz; UTP5 : 100 MHz; STP: 300 MHz

Coaxial: é menos suscetível a interferências e crosstalk, porém é mais suscetível à

atenuação, ruído térmico e intermodulação.

Fibra ótica: apresenta maior capacidade, espaçamento entre repetidores e atenuação,

menos peso e volume. A desvantagem do preço tem sido reduzida com o passar do tempo. Apresenta-se nas modalidades de multimodo step-index, com limitado

data rate e apropriada para curtas distâncias; multimodo grade index, com mais

alto índice de refração no meio; monomodo, com data rate superior, apropriada para longas distância.

No campo dos mmeeiiooss nnããoo gguuiiaaddooss, microondas terrestres apresenta as seguintes relações entre freqüência (GHz), banda (MHz), Data Rate (Mbps):

2, 7, 12

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telefonia de longa distância e redes privadas (VSAT), apresentam o espectro de 1 GHz a 10 GHz, serviço ponto a ponto (4/6 GHz - uplink: 5.925 GHz a 6.425 GHZ;

downlink: 4.7 GHz a 4.2 GHz; 12/14 GHz; 19/29 GHz), mas, como ponto fraco temos

o retardo (0.25 s) e difícil controle de erro e fluxo.

Difusão de rádio tem como principal diferença quando comparada a microondas o fato de ser multidirecional. O espectro vai de 30 MHz a 1 GHZ, e é menos sensível a atenuação da chuva (cf. microondas). O maior problema é a interferência multi caminhos.

Infravermelho necessita linha de visão (não penetra paredes), mas a banda é não regulamentada, o que é uma vantagem. Desta forma, tem sido largamente usada como substituta de fios e cabos.

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Quando analisamos as relações entre dados e sinais, verificamos diversas técnicas para dados analógicos e sinais digitais. Na realidade, estas técnicas se inserem em um contexto maior que é a multiplexação. Pense da seguinte forma: redes de dados e de telefonia devem, no seu núcleo, atender a vários usuários ao mesmo tempo. Seus dados devem com freqüência compartilhar um mesmo meio físico. Em termos mais genéricos, o compartilhamento de dados pode ser na freqüência (FDM – Frequency

Division Multiplexing) ou no tempo (TDM – Time Division Multiplexing). No entanto,

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Hierarquia FDM da AT&T:

No. de canais Banda Espectro Nome

12 48 KHz 60 – 108 KHz grupo

5x12=60 240 KHz 312 – 552 KHz supergrupo

10x60=600 2.52 MHz 564 – 3084 KHz mastergrupo

FDM é bastante empregado na agregação de canais de voz e o respectivo

transporte em enlaces de alta capacidade (troncos). Outros exemplos de FDM são transmissões de rádio e de TV (difusão e a cabo).

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WDM é uma variação de FDM usando sistema ótico, completamente passivo e,

portanto, altamente confiável. Tecnologias óticas incluem:

Broadband WDM – 1ª “encarnação” de WDM, com 2 sinais na mesma fibra (1994) Amplificadores óticos – a tecnologia que descartou a necessidade de converter ao campo

elétrico para realizar algumas das funções de redes.

DWDM – 40 a 80 canais na mesma fibra.

As tecnologias óticas que são aqui brevemente mencionadas merecem um tratamento à parte.

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TDM se apresenta em duas modalidades: TDM síncrono e TDM estatístico (ou

assíncrono). No TDM síncrono a alocação de um canal é fixa (canal dedicado). Um aspecto do TDM refere-se à sincronização das várias fontes de dados. Como cada fonte possui um relógio local e existem variações entre estes relógios, pode ocorrer uma perda de sincronismo entre o emissor e o receptor. A maneira de se contornar este problema corresponde à introdução de bits (pulse stuffing) em posições especiais do quadro. Como a taxa de saída do multiplexador é superior à soma das taxas de dados dos sinais de entrada, este excesso é utilizado para introdução de bits extras em cada sinal de entrada até que a taxa do sinal do relógio gerado no local seja alcançada. Como estes

bits são introduzidos em posições fixas, é fácil identifica-los e retira-los no

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O TDM estatístico reduz a banda desperdiçada em troca de overhead. O data rate da saída TDM assíncrono é menor que a soma dos data rates das entradas. Para que em períodos de pico a média agregada das entradas não exceda a capacidade de saída, utiliza-se o buffer, que por sua vez aumenta o retardo. Existe, pois, um tradeoff entre a resposta do sistema e a velocidade da linha multiplexada.

E

Exxeemmpplloo3: Analise a produção e a organização dos bits de um sinal TDM obtido a 3

partir de 3 fontes analógicas e 11 fontes digitais, como ilustrado no slide 3-35. Resposta: Talvez em aula e no slide 3-36.

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Agora que discutimos um pouco sobre TDM síncrono e assíncrono cabe nos voltarmos um pouco para controle de processo e sistemas de tempo real (STR), algo que diz respeito muito mais aos engenheiros de telecomunicações e de computação que qualquer outro.

Muitos sistemas STR lida com a questão temporal limite, o deadline. Uma série de processos produtivos funcionam a partir de estímulos e o sistema tem que responder a tempo atuando no objeto controlado.

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O perfil temporal poderia ter o aspecto:

Outros processos menos críticos, mas de natureza similar serão vistos em Redes 2 (multimídia).

E

Exxeemmpplloo 4: Sistemas de Tempo-Real podem ser desenvolvidos em uma de duas 4

estratégias: “Event-Triggered” (ET) e “Time-Triggered”(TT). Considere um sistema em rede de meio compartilhado que consiste de um Objeto Controlado, 10 nós sensores e um Monitor de Alarme. Cada interface de nó observa 40 alarmes binários no Objeto Controlado. Dentro de 100 ms após um sinal de alarme, o operador deve ser avisado (deadline). O canal de comunicação uma banda que comporta 100 Kbps e usa um protocolo com overhead de 44 bits, inter-quadros de 4 bits e dados de qualquer número inteiro de bytes. a) Analisar as duas estratégias ET e TT. b) Generalizar analisando

(%Banda x No. de Alarmes Ativos), por 100 ms.

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Conforme se deseje transitar voz ou dados, a capacidade de uma hierarquia T1 (DS-1) terá uma funcionalidade diferente:

VOZ: adiciona-se 1 bit de framing: 24 X 8 + 1 = 193 bits

cada canal  8000 amostras/seg Þ transmissão = 8000 X 193 = 1,544 Mbps DADOS: 24 canais = 23 de dados + 1 de sync_error 1 canal  7 bits_dados +

1 bit_sel_control/dados

 transmissão = 8000 X 7 bits = 56 Kbps (limite teórico de modems)

E

Exxeemmpplloo55: Cálculo de data rate de DS-1 para 1 quadro:

1 quadro = 24 canais de 8 bits + 1 bit framing, então: 24 x 8 + 1 = 193 bits/quadro

Como voz tem 8K amostras/seg (Teorema da Amostragem), então:

8000 x 193 = 1.544 Mbps

As hierarquias de DS-2 em diante são formadas por intercalamento de bits de hierarquias imediatamente inferior, acrescido de bits de controle.

A Europa definiu uma hierarquia com as mesmas características, denominada

E1, com a diferença de que o quadro é formado por 30 canais de voz e 2 canais de

controle em um sinal básico E-1 correspondendo a uma taxa de 2,048 Mbps. O esquema E-1 é o mesmo adotado no Brasil.

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Observe que este tempo do quadro E-1 (125 msegs) é diretamente derivado do Teorema da Amostragem para a banda da voz, que produzirá 8000 amostras/segs.

O valor agregado da taxa de bits provém de 30 canais de dados mais dois de

frame, usando-se 8 bits:

E-1 = (30 + 2) x 8 x 8000 = 2,048 Mbps

canais frame bits amostras/seg

Finalmente observe que cada multiplexação incorpora bits de framing e de controle. Porisso 8,448 Mbps > 4 X 2048 = 8,192 Mbps!

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A hierarquia SONET (EUA) / SDH (Europa) foi proposta para tirar proveito da alta capacidade das fibras óticas. O sinal básico STS-1 (ou OC-1) pode ser combinado para formar hierarquias superiores, como no caso de T-1 e E-1 e mostrado no slide 3-44.São objetivos da SONET:

1) Permitir diferentes portadoras interoperar,

2) Unificar T-1 e E-1, já que ambos são baseados em canais PCM 64 Kbps, 3) Continuar a hierarquia acima de T-4,

4) Suporte para OAM (Operation, Administration, Maintenance)

Observe também que a taxa líquida é menor que taxa bruta de dados (por exemplo, OC-1 = 51,84 Mbps = 810 x 8 x 8000), pois existem overheads envolvidos.

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Artigo de apoio indicado:

Artigo sobre camada física do curso Redes de Computadores elaborado pelo prof. Maurício Magalhães – DCA/FEC/UNICAMP (camada_fis.pdf)